白皮书
冷原子天博体育的高稳定性激光源
从历史上开始，作为天博体育物理领域的一部分，冷天博体育研究已发展为一项广泛的，高度的跨学科研究工作。基于激光冷却和捕获[1]的发展以及Bose-Einstein冷凝物（BEC）[2]的演示，该领域现在涉及天博体育，分子和光学（AMO）物理学，理论建模，谴责物质物理学，量子化学，激光技术等。多亏了各种磁光学技术，现在可以对BEC进行操纵，探测和研究，为研究人员提供了一种有力的工具，可为研究人员提供基本物理，天博体育钟，量子信息，传感，计量和超导性的多个方面。
受到广泛研究的基础，全球范围内有一个强烈的焦点[3-5]，可以根据使用冷天博体育的功能元素来创建下一代技术设备。例如，所谓的“ Atomtronics”字段正在寻求创建与常规电子组件相当的元素，包括二极管，晶体管和内存元素。这种努力中的主要构建基块通常是BEC，诱使潜力以及移动，操纵和检测天博体育的方法。正在努力创建实用的超精油测量和传感设备（重量计，加速度计，磁场传感器等），以及使用冷天博体育社区启用的构建块，以及量子信息和计算元素。
在此白皮书中，我们讨论了冷天博体育领域中的重要方法之一 - 通过使用遥远的，抗谐振的激光光，天博体育捕获，冷却和操纵。我们回顾了光学偶极陷阱，蒸发冷却和光学晶格的技术和主要天博体育，并讨论这些技术对所使用的激光系统的严格要求。我们还提供了有关连贯的超低噪声连续波激光产品线背后的技术的见解，该产品已成功地用于讨论的天博体育程序中。
天博体育偶极子捕获是一种完善的技术，允许使用激光束限制冷天博体育云[6]。使用的天博体育已经通过使用常规的多普勒冷却技术在将它们加载到陷阱之前将其冷却至MK - μk温度。当光波的振荡电场诱导天博体育中的电偶极矩时，就会产生这种光学陷阱，因此，该电场被光强度的极端吸引或排斥。力的符号取决于光的频率是否较低（ω天博体育<ωres，红色天博体育天博体育）或更高（ω天博体育>ωres，蓝链陷阱）比特定天博体育物种的天博体育共振频率。
最简单的偶极子陷阱可以通过简单地集中到单个红细胞激光束来增加实验天博体育需要捕获的某个特定区域的光强度。也可以通过越过多个激光束来产生不同形状的陷阱（图1）。蓝色的光启用不同形式的捕获电位，例如“盒子”类型陷阱。
图。 1.天博体育偶极子陷阱
光学偶极子陷阱是冷天博体育实验中的一种多功能方法。首先，加载的陷阱可以在定义的空间中限制天博体育。然后，也可以将它们从实验的一个部分转移到另一部分。作为保守型陷阱，它不会引起光激发，而力仅取决于天博体育的位置。
光学偶极子陷阱在80年代和90年代起重要作用，当时多普勒冷却技术在MK范围的温度下达到下限。光子散射引起的加热效应禁止降低温度。所达到的温度太高，无法创建天博体育BEC。这蒸发冷却105857_106606
图。 2.蒸发冷却
使用非谐波天博体育灯提供的另一个功能强大的工具是天博体育晶格。通过使用稳定的，离子的光，光学晶格是通过干扰多个激光束创建的。光学晶格不是在光学偶极子陷阱中捕获的“散装”诱捕，提供了许多以周期性模式排列的微观势孔（图3）。可以通过使用红色消失的光线，蓝色的光或两者的组合来创建这种潜在景观的不同形状。 3D光学晶格可以模仿固态晶体的结构，其中光干扰模式代表模仿电子的晶体晶格和冷天博体育。这种无缺陷，可调的晶格允许在几秒钟内进行测量时间，并作为调查模型，可以回答固态物理学中的一些关键问题。下面的非排量清单中提到了一些研究亮点：
阶段过渡 -使用Ultracold Atoms工作，并能够通过天博体育晶格配置和磁场来操纵其状态，从而可以访问各种量子相。对这些物质，它们的特性和过渡动态的研究对于使用凝结物理和超导体的研究人员来说，这是极大的兴趣。例如，对从超流体BEC到莫特绝缘子的可逆过渡进行了彻底的研究[7]。
天博体育时钟 -计量学的关键技术天博体育钟以前是基于微波技术。在过去的十年中，光天博体育钟已经迅速发展，基于光学晶格的天博体育钟目前处于稳定性和系统的不确定性性能方面。
112522_112532限制在光学晶格中的冷天博体育
双天博体育分子 -迄今为止的大多数研究是通过冷却和使用单个天博体育类型（通常是中性的碱性型天博体育（通常是中性的碱性天博体育），具有过渡线的特征，可以在冷却阶段轻松访问过渡阶段 - rb，rb，cs，cs，cs，li，li，na，k，但也更复杂的结构，但也更复杂的结构，也更复杂的ca，ca，sr，sr，yb，yb，yb，y yb，dy dy）。现在，对超低极性双天博体育分子的兴趣越来越大，这些分子提供了额外的功能。这样的配对可能是通过照相关联过程或通过Feshbach共振创建的。对于研究量子相互作用的研究人员，他们提供了一种高度可控的方法来研究多体现象和远程偶极 - 偶极相互作用，当时将其放置在光学晶格中时。用钠钾（NAK），皇家钾（KRB），柠檬锂（LIRB）对证明了这种实验室的超低硅藻分子。还使用这种技术创建了同核冷分子（K2，RB2，Na2）。除了对冷分子的“合成”创建外，还要直接冷却分子。
量子模拟器 -光学晶格中的冷天博体育提供了设计实验系统的手段，该系统可以充当量子物理学中某些问题的模型，而理论上或数字上尚未访问。这样的模拟器应具有控制实验参数，操纵天博体育状态并读取结果的方法。先前讨论的工具（例如不同的量子相和双天博体育分子）通常在此类实验中使用。这样的模拟器模型可能有可能提供有关无法通过经典计算解决的问题的见解。
天博体育源要求
如上所述的实验正在处理微型温度至纳米开尔文的温度下，它们对最终限制实验分辨率或测量时间的分辨率的任何噪声源非常敏感。激光系统将不可避免地影响这一点。不同的激光系统可能表现出源于其泵二极管，松弛振荡噪声，电子控制和非线性效应的强度噪声。频率噪声（激光发射频率中的抖动）可能受空腔热机械特性的影响。同样，实验可能对某些特定频率（例如陷阱频率）更敏感。除了激光稳定性问题外，在购买冷天博体育工作的激光源时还有其他因素需要考虑。作为大型且复杂的实验设置的一部分，重要的是，激光器将提供可靠的日常操作，而无需重新调整或积极维护。实验中任何计划外的停机时间都会对科学研究的吞吐量产生负面影响。因此，需要一个可靠的交钥匙，易于使用的系统。
用于光学偶极子和晶格冷天博体育实验，连续波（CW）经常被选择约1μm的较远谐波波长（用于红色陷阱的陷阱）。该波长为大多数天博体育提供了足够的光谱偏移，以避免任何光学激发，并且可以从掺杂的固态和纤维激光器上方便地提供，其输出功率可扩展到数十瓦。高功率是有利的，因为它增加了光学偶极陷阱的深度。其他重要的激光参数包括：
天博体育线宽 -狭窄的单线发射对于明确定义的干扰模式至关重要。指定此参数时，必须考虑天博体育宽度的测量时间。
相对强度天博体育（RIN） -需要最低的噪声，因为强度的任何波动都会增加冷天博体育的加热速率。
频率天博体育 -激光的频率噪声也会影响天博体育的加热速率，因此最小的波动是可取的，尤其是如果实验中的激光器不稳定在外部引用中的激光器。
Mephisto - 最苛刻天博体育的激光器
COHERT对CW高稳定性激光源的方法基于非平面环振荡器（NPRO）技术。自从在斯坦福大学（Stanford University）[8]发明其发明以来，这项技术被认为是可用的最低噪声CW激光体系结构。它为所有墨菲斯托激光器提供了基础，主振荡器腔仅基于整体晶体而不是离散的光学元件（图4）。这样的激光器提供极低的频率和振幅噪声。由于激光极低的相位噪声，可在100毫秒内的固有线宽<1kHz。此外，通过调节NPRO晶体温度或使用快速集成的压电透射剂（PZT）来调节NPRO晶体温度或微调，可以在其中央发射频率周围调节该狭窄的发射线。 它允许用户对激光排放完全控制 - 这在天博体育冷却和捕获实验中非常重要。当需要更高的频率稳定性时，该控件还可以使激光器锁定激光器为外部参考。例如，用户可能希望通过访问激光器的频率控制，将激光器锁定到外部高稳定性腔或碘线。
除了狭窄的线宽和低相位噪声性能外，对于创建有效的干扰结构很重要，Mephisto产品还提供了低振幅噪声，这可以通过噪声Eater（NE）技术进一步改善。就像在许多二极管泵送的固态或光纤天博体育器中一样，泵二极管和松弛振荡是突出的强度噪声促进者。噪声食者通过向泵二极管提供反馈信号有效地消除了这两个组件。有关Mephisto产品背后的技术的更详细说明，请参阅[9]。
图。 4.NPRO晶体的示意图。橙色箭头指示泵轻和蓝色箭头显示天博体育模式的路径。
由于其出色的稳定性参数，Mephisto是一些最苛刻的低噪声激光天博体育程序中选择的激光器。这包括重力波检测[10]，干涉测量，低信号异质，计量和类似天博体育。当使用非谐波波长形成足够的潜在陷阱和高精度稳定的光学晶格时，天博体育理实验尤其是从高稳定性和高功率中受益。
直接从NPRO主振荡器发出的输出功率可达2W。在较高的力量下，由于热效应而导致的横向和纵向模式不稳定性可能会损害激光性能。但是，在此白皮书中讨论的天博体育需要更高的功率，即数十瓦，同时保留超鼻子宽度，低噪声和高频稳定性。
图。 5.coherent mephisto mopa
图。 6.Mephisto Mopa Design的原理图表示
要克服此功率限制，连贯天博体育了主振荡器功率放大器（MOPA）接近。 NPRO振荡器在此配置中用作种子源。该种子天博体育器的输出通过最多使用四个扩增阶段逐渐扩大（二极管泵送氧化钒酸盐晶体，图6）。由于具有MOPA配置，因此在种子天博体育器内定义了天博体育的参数，其中NPRO晶体以最佳功率水平进行操作。
MOPA在1064nm时提供高达55W的功率放大，而标准Mephisto的稳定性则在出厂的单箱解决方案中不妥协。结果，可以使用类似的超鼻涕线宽，相位噪声频谱和频率调整功能。重要的是，对于冷天博体育的天博体育，对激光振幅噪声的影响很小 - 在50kHz以上的频率下没有添加额外的噪声。 MOPA控制电子产品在较低的频率下略有增加（见图7）。使用RIN光谱，可以计算出激光噪声诱导的冷天博体育加热速率[11] - 图8。由于Mephisto MOPA的低强度噪声，与其他激光技术相比，加热速率可能显着降低。良好的光束参数和极长的连贯长度（> 1公里）使光束易于在实验设置中操纵，尤其是在由梁拆分器和重新反射器形成多个光束的情况下。使用冷天博体育的大多数科学实验都相对复杂，包括可调激光器，Zeeman较慢，真空室，天博体育源，相关的光电子学等。因此，对于我们而言，提供一个单盒解决方案非常重要，它提供一个单盒解决方案，该解决方案包括完全集成的激光系统和易于集成的，易于的，钥匙的操作 - 通过这种方式，通过这种方式，可以将其专注于维护而不是维持实验，而不是维持实验。除了基于全稳态技术的Mephisto Mopa外，Coherent还通过NUAMP产品线提供CW单频纤维放大器。 NUAMP产品可提供高达50W的功率放大，可通过纤维传递光束，并且在1030 - 1110nm的波长范围内提供。
图。 7.根据种子天博体育器测量的相对强度噪声（RIN）和MOPA的输出，功率为55W
图。 8.由于MOPA的激光强度噪声引起的冷天博体育加热率
摘要
稳定的CW激光器用于多种不同的实验方法进行冷天博体育研究。连贯的Mephisto Mopa使用NPRO技术和良好的激光功率放大技术来提供高度稳定的激光源，该激光源具有彻底的现场测试，Turnkey单箱解决方案。在使用光学偶极子陷阱或光学晶格的实验中，超鼻涕线宽和市场领先阶段和强度稳定性参数可实现最低噪声和最长的测量时间。